ما الذي يسبب تشتت الضوء الأبيض؟

كانت طبيعة الضوء مثار جدل كبير في العلوم في القرن السابع عشر ، وكانت المناشير في مركز العاصفة. يعتقد بعض العلماء أن الضوء كان ظاهرة موجية ، واعتقد البعض أنه كان جسيمًا. كان عالم الفيزياء والرياضيات الإنجليزي السير إسحاق نيوتن في المعسكر السابق - يمكن القول إنه زعيمه - بينما ترأس الفيلسوف الهولندي كريستيان هيغنز المعارضة.

أدى الجدل في النهاية إلى تسوية مفادها أن الضوء عبارة عن موجة وجسيم. لم يكن هذا الفهم ممكنًا حتى ظهور نظرية الكم في القرن العشرين ، ولمدة 300 عام تقريبًا ، واصل العلماء إجراء التجارب لتأكيد وجهة نظرهم. من أهم المناشير المتضمنة.

يمكن تفسير حقيقة أن المنشور يشتت الضوء الأبيض مكونًا طيفًا بواسطة كل من نظرية الموجة والجسم. الآن بعد أن عرف العلماء أن الضوء يتكون في الواقع من جسيمات لها خصائص موجية تسمى الفوتونات ، لديهم فكرة أفضل عن أسباب تشتت الضوء ، واتضح أن لها علاقة بخصائص الموجة أكثر من الجسيمية. منها.

الانكسار الضوءهو سبب تشتيت المنشور للضوء الأبيض مكونًا طيفًا. يحدث الانكسار لأن الضوء ينتقل ببطء في وسط كثيف ، مثل الزجاج ، أكثر مما ينتقل في الهواء. يكون تشكيل الطيف ، الذي يكون قوس قزح هو المكون المرئي منه ، ممكنًا لأن الضوء الأبيض ممكن تتكون في الواقع من فوتونات ذات نطاق كامل من الأطوال الموجية ، وينكسر كل طول موجي في نطاق مختلف زاوية.

الانعراج هو ظاهرة تحدث عندما يمر الضوء عبر شق ضيق للغاية. تتصرف الفوتونات الفردية مثل موجات الماء التي تمر عبر فتحة ضيقة في جدار بحري. عندما تمر الأمواج عبر الفتحة ، فإنها تنحني حول الزوايا وتنتشر ، وإذا سمحت بذلك موجات لتضرب الشاشة ، فإنها ستنتج نمطًا من الخطوط الفاتحة والداكنة يسمى الحيود نمط. الخط الفاصل هو دالة لزاوية الانعراج ، الطول الموجي للضوء الساقط وعرض الشق.

من الواضح أن الانعراج ظاهرة موجية ، لكن يمكنك تفسير الانكسار كنتيجة لانتشار الجسيمات ، كما فعل نيوتن. للحصول على فكرة دقيقة عما يحدث بالفعل ، عليك أن تفهم ما هو الضوء في الواقع وكيف يتفاعل مع الوسط الذي ينتقل من خلاله.

إذا كان الضوء عبارة عن موجة حقيقية ، فسيحتاج إلى وسيط يمكن السفر من خلاله ، ويجب أن يمتلئ الكون بمادة شبحية تسمى الأثير ، كما يعتقد أرسطو. أثبتت تجربة Michelson-Morley أنه لا يوجد مثل هذا الأثير. اتضح أنه في الواقع ليست هناك حاجة لشرح انتشار الضوء ، على الرغم من أن الضوء يتصرف أحيانًا كموجة.

الضوء ظاهرة كهرومغناطيسية. يخلق المجال الكهربائي المتغير مجالًا مغناطيسيًا ، والعكس صحيح ، ويخلق تواتر التغييرات النبضات التي تشكل شعاعًا من الضوء. ينتقل الضوء بسرعة ثابتة عند السفر عبر الفراغ ، ولكن عند السفر عبر وسط ، تتفاعل النبضات مع الذرات في الوسط ، وتنخفض سرعة الموجة.

كلما كانت الوسيلة أكثر كثافة ، كان انتقال الشعاع أبطأ. نسبة سرعات الحادث (v_أنا) وينكسر (v_ر) الضوء هو ثابت (ن) يسمى مؤشر الانكسار للواجهة:

عندما يصطدم شعاع من الضوء بالواجهة بين وسيطين ، فإنه يغير اتجاهه ، ويعتمد مقدار التغيير على n. إذا كانت زاوية السقوطθ_أنا، وزاوية الانكسارθ_ر، يتم إعطاء نسبة الزوايا بواسطةقانون سنيل​:

هناك قطعة أحجية أخرى يجب وضعها في الاعتبار. إن سرعة الموجة هي نتاج ترددها وطولها الموجي والترددFالضوء لا يتغير أثناء مروره بالواجهة. هذا يعني أن الطول الموجي يجب أن يتغير للحفاظ على النسبة التي يرمز إليهان. ينكسر الضوء ذو الطول الموجي الأقصر بزاوية أكبر من الضوء ذي الطول الموجي الأطول.

الضوء الأبيض هو مزيج من ضوء الفوتونات مع كل الأطوال الموجية الممكنة. في الطيف المرئي ، يكون للضوء الأحمر أطول طول موجي ، يليه البرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والنيلي والبنفسجي (ROYGBIV). هذه هي ألوان قوس قزح ، لكنك ستراها فقط من منظور مثلث.

عندما يمر الضوء من وسط أقل كثافة إلى وسط أكثر كثافة ، كما يحدث عندما يدخل المنشور ، فإنه ينقسم إلى أطوال موجية مكونة. تتحد هذه عندما يخرج الضوء من المنشور ، وإذا كان وجهي المنشور متوازيين ، يرى المراقب ضوءًا أبيض ينبثق. في الواقع ، عند الفحص الدقيق ، يظهر خط أحمر رفيع وخط بنفسجي رفيع. إنها دليل على زوايا مختلفة قليلاً للتشتت بسبب تباطؤ شعاع الضوء في مادة المنشور.

عندما يكون المنشور مثلثًا ، تختلف زوايا السقوط عند دخول الحزمة وتغادرها ، وبالتالي فإن زوايا الانكسار مختلفة أيضًا. عندما تمسك المنشور بالزاوية المناسبة ، يمكنك رؤية الطيف المتكون من الأطوال الموجية الفردية.

يسمى الفرق بين زاوية الحزمة الساقطة وزاوية الحزمة الناشئة بزاوية الانحراف. هذه الزاوية هي في الأساس صفراً لجميع الأطوال الموجية عندما يكون المنشور مستطيلاً. عندما لا تكون الوجوه متوازية ، يظهر كل طول موجي بزاوية انحراف مميزة خاصة به ، ويزداد عرض نطاقات قوس قزح المرصود مع زيادة المسافة من المنشور.

لا شك أنك رأيت قوس قزح ، وقد تتساءل لماذا لا يمكنك رؤيتها إلا عندما تكون الشمس خلفك وأنت في زاوية معينة من السحب أو عند هطول الأمطار. ينكسر الضوء داخل قطرة ماء ، ولكن إذا كانت هذه هي القصة بأكملها ، لكان الماء بينك وبين الشمس ، وهذا ليس ما يحدث عادةً.

على عكس المنشور ، قطرات الماء مستديرة. ينكسر ضوء الشمس الحادث عند واجهة الهواء / الماء ، وبعضها ينتقل عبرها ويخرج من الجانب الآخر ، لكن هذا ليس الضوء الذي ينتج أقواس قزح. ينعكس بعض الضوء داخل قطرة الماء ويخرج من نفس الجانب من القطرة. هذا هو الضوء الذي ينتج قوس قزح.

الضوء القادم من الشمس له مسار هابط. يمكن أن يخرج الضوء من أي جزء من قطرة المطر ، لكن أقصى تركيز له زاوية انحراف تبلغ حوالي 40 درجة. تشكل مجموعة القطرات التي ينبعث منها الضوء عند هذه الزاوية المعينة قوسًا دائريًا في السماء. إذا تمكنت من رؤية قوس قزح من طائرة ، فستتمكن من رؤية دائرة كاملة ، ولكن من الأرض ، يتم قطع نصف الدائرة وترى فقط القوس نصف الدائري النموذجي.